WO2007135717A1

WO2007135717A1 - 電界放出発電装置

Info

Publication number: WO2007135717A1
Application number: PCT/JP2006/310026
Authority: WO
Inventors: Norio Akamatsu
Original assignee: Norio Akamatsu
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2006-05-19
Publication date: 2007-11-29
Also published as: EP2023477A1; US20090174283A1; JPWO2007135717A1

Abstract

　従来の発電方法とは異なる新しい概念に基づき、投入エネルギーが少なく、発電効率が良く、クリーンで、枯渇する心配のない、安定した発電を可能とする。　電子供給体２０と、電子供給体２０に対して電気導通状態に設けられた電子放出ポート３０と、電子放出ポート３０に電気絶縁場Ｆを介して対向配置されると共に電界を付加することで電子放出ポート３０側に拘束されている電子ｅの軌道をより拘束力の弱い外側へシフトさせるための電子引寄電極４０と、電子引寄電極４０によって拘束力が低下された電子ｅに対して電界を付加して電気絶縁場Ｆに放出させる電子引出電極５０と、放出された電子ｅを受け取る電子受容体６０とを備える。

Description

明細書

電界放出発電装置

技術分野

[0001] 本発明は電界放出 (放射)を利用した発電装置に関する。

背景技術

[0002] 電気エネルギーを得る方法としての発電には、古くから行われている水力発電、風力発電の他、太陽光発電、潮力発電等の自然エネルギーを利用する発電が知られている。また化石燃料を用いた火力発電や、原子力を用いた原子力発電が知られている。

前記化石燃料を用いた発電においては、原料となる化石燃料が有限であることから、何れ枯渴し、社会のニーズに応えられなくなるという問題をかかえている。

また前記太陽光や風力等の自然エネルギーを利用した発電においては、利用する自然エネルギーである太陽光や風力の供給は自然条件に依存するので、我々が電力を必要とする際に必ず発電が行われる保障がないという欠点がある。

また原子力発電の場合は、安全性の問題や設備等の問題がある。

[0003] 一方、本発明者は、太陽光を物質に受光させて熱エネルギーに変換し、これによつて加熱された物質から熱電子を放出させ、この熱電子放出を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換することによる発電方法を提供した（特許文献 1〜4)。また熱エネルギーを電気エネルギーに変換する装置としては、次の特許文献 5も提供されている。

一方、電界を加えて電子を放出させる電界電子放出を用いた装置として、次の特許文献 6が提供されている。

特許文献 1：特許第 3449623号公報

特許文献 2：特開 2003— 189646号公報

特許文献 3：特開 2003— 250285号公報

特許文献 4：特開 2004— 140288号公幸艮

特許文献 5 :特開 2003— 258326号公報特許文献 6：特表平 11一 510307号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] ところが上記特許文献 1〜4の発明は、何れも熱エネルギーを物体に与え、これによって加熱された物体中から熱電子を放出させ、放出された電子を回収して発電を行う方法を採用したものである。即ち外部から熱エネルギーを与えて、これを電気工ネルギ一に変換する方式の発電装置であり、大きな電気エネルギーを得るためには、それ相当の大きな熱エネルギーの投入を必要とする。

また上記特許文献 5の発明には、電界放出を利用した素子や装置が開示されている。しかし、あくまでも電気エネルギーと熱エネルギーとの変換装置である。また発電に関しては、加熱による熱電子放出を利用した発電にとどまるものである。

また特許文献 6の発明には、電界電子放出材料、電界電子放出装置が開示されている。し力電界電子放出装置において示されたものは、電子の電界放出を放電装置、電子ガン、ディスプレイ等、何れも放出電子そのものを利用した装置であり、発電に利用するといつた技術思想が全く存在しないものである。

[0005] そこで本発明は従来における発電方法とは全く異なる新しい概念に基づき、投入エネルギーが少なぐ且つ十分に効率のよい発電を得ることができると共に、クリーンで、枯渴する心配のない、安定した発電が可能な新たな発電装置の提供を課題とする。

課題を解決するための手段

[0006] 上記課題を達成するため、本発明者は種々の実験と検討を重ねた結果、電界が物質に作用することで物質中の電子が物質の表面から放出される電界放出現象をうまく利用することで、熱電子放出による発電とは異なる、より効率のよい新たな発電が可能であることを知得し、本発明を完成した。

電界が、例えば自由電子が多い物質の狭い領域に集中すると、物質表面から電子が真空中等に放出される。この現象は電界放出として知られている。この場合は外部力も熱エネルギーを加えなくとも、電界によって電子が放出される。電界による電子の放出を効率よく行い、放出された電子をうまく収集することにより、電子による電気エネルギーを外部に取り出すことができる。

物質に加える電界については、複数の電極を適切な役割をもって適用することで、電子放出に要するエネルギーロスを少なくし、また電子の放出を容易に行うことが可能となる。

また電界を加えられる材料は、自由電子が多ぐ電子を放出する放出領域のエネルギー障壁を低くすることで、電界放出を行いやすくすることができる。

一方、電界を発生させる電界の発生源については、電界を材料に及ぼすだけで電流が流れない限り、電荷の消耗、即ちエネルギー消費は理論的には生じない。別の言レ、方をすれば、材料から電界放出された電子が電界発生源に到達して吸収されない限りにおいて、電界発生源でのエネルギー消費は生じない。電子を電界放出するための電界の発生源は正電極として、少なくとも 2種類の正電極を用いることで、材料中の電子を効率よく電界放出させると共に、投入電力の消費を十分に少なく抑制すること力 Sできる。

以上のようにして本発明では、材料中の自由電子を効率よく電界放出させ、且つこの電界放出させた電子を電界発生源以外の受電子材料に適切に収集して蓄積することで、実用可能な発電を完成させている。このとき電子放出材料に電界を加える電界発生源でのエネルギー消費は最小限に抑えられる。

本発明の電界放出発電装置は、自由電子を保有する材料からなる電子供給体と、該電子供給体に対して電気導通状態に設けられた電子放出ポートと、該電子放出ポートに電気絶縁場を介して対向配置されると共に電界を付加することで前記電子放出ポート側に拘束されている電子のエネルギーレベルを引き上げてその軌道をより拘束力の弱い外側の軌道にシフトさせるための電子引寄電極と、該電子引寄電極とは別に配置されると共に電子引寄電極によって拘束力が低下された電子に対して電界を付加することで、前記電子放出ポート側に拘束されている電子を前記電気絶縁場に引き出して放出させる電子引出電極と、該電子引出電極によって放出された電子を受け取るための電子受容体とを備え、前記電子引寄電極と電子引出電極に正電圧を加えることで前記電子放出ポートから電子を電界放出させると共に、この電界放出した電子を前記電子受容体で受け取らせて集める構成としていることを第 1の特徴としている。

また本発明の電界放出発電装置は、上記第 1の特徴に加えて、電子放出ポートは

、電子放出に対するエネルギー障壁の小さレ、材料及び Z若しくは形状で構成されてレ、ることを第 2の特徴としてレ、る。

また本発明の電界放出発電装置は、上記第 1の特徴に加えて、電子放出ポートは、電子供給体の表面に準 1次元物質をその長手方向が電子放出方向となるように立設して構成されてレ、ることを第 3の特徴としてレ、る。

また本発明の電界放出発電装置は、上記第 3の特徴に加えて、準 1次元物質が力一ボン'ナノチューブであることを第 4の特徴としている。

また本発明の電界放出発電装置は、上記第 1の特徴に加えて、電子放出ポートは、グラフアイトからなり、その層面が電子放出ポートの表面となるように構成されていることを第 5の特徴としている。

また本発明の電界放出発電装置は、上記第 1の特徴に加えて、電子引寄電極は、電子放出ポートと対向する表面に準 1次元物質をその長手方向が電子放出方向となるように立設して構成されてレ、ることを第 6の特徴としてレ、る。

また本発明の電界放出発電装置は、上記第 1の特徴に加えて、電子引出電極の材料を準 2次元物質とし、電子放出ポートから放出された電子が量子トンネル現象によつて前記電子引出電極を貫通して背後の電子受容体に受け取られるようにして構成されてレ、ることを第 7の特徴としてレ、る。

また本発明の電界放出発電装置は、上記第 1の特徴に加えて、電子放出ポートから放出されて電子引出電極に向かう電子の軌道を変更する電子軌道変更手段を設けてレ、ることを特徴とすることを第 8の特徴としてレ、る。

また本発明の電界放出発電装置は、上記第 1の特徴に加えて、電子受容体に到達した電子が 2次放出するのを防止するための 2次放出防止手段を設けていることを第 9の特徴としている。

また本発明の電界放出発電装置は、上記第 1の特徴に加えて、電子受容体と電子供給体とを電気接続し、途中に電気的負荷を配する構成としたことを第 10の特徴としている。発明の効果

請求項 1に記載の電界放出発電装置によれば、電子引寄電極に正電圧が加えられることで、該電子引寄電極と電子供給体の電子放出ポートとの間に電界が生じ、電子放出ポートに拘束されている自由電子に電界によるクーロン力が加わることによつて、電子の運動エネルギーが増し、電子の軌道がより原子核から離れた外側の軌道にシフトされる。即ち、電子の電界放出に対する電子放出ポート側からの拘束力がより弱くなる。

電子のもつ運動エネルギーが電子放出ポートの表面のエネルギー障壁を超えると、その電子は電子放出ポートから電気絶縁場に放出されるが、本発明では、電子引寄電極による正電圧の付加は、電子のエネルギーが前記電子放出ポートの表面のエネルギー障壁を超えない程度であって、且つ十分に拘束力が小さくなるような状態を構成するようにしている。

そして別に配置された電子引出電極に正電圧が加えられることで、前記拘束力が低下した電子に電子引出電極による電界が加わる。これによつて電子は電子引出電極方向に向けて加速され、運動エネルギーを更に獲得する。電子は、この電子引出電極によって付与される運動エネルギーによって前記低下している拘束力を容易に脱することができる。即ち、電子引寄電極によって拘束力が低下された電子は電子引出電極によって容易に拘束を脱して、電子放出ポートから引き出され、電界中に放出される。

前記電子引寄電極は電子放出ポートに拘束されている電子のエネルギーレベルを上げて、電子放出ポートによる拘束力を低減する役割を果たすもので、電子放出ポートに接近して配置される。し力し電子の電界放出を行わせるものではないので、その印加電圧を低く設定することができる。従って印加電圧を低く抑えることで、電子引寄電極を電子放出ポートに近接して配置しても、電子引寄電極の電荷が漏洩するのを十分に防止して、漏洩電力損を最小に抑えることが可能となる。即ち、前記電子引寄電極に加えられる正電荷は、電界放出した電子が電子引寄電極に到達しない限りにおいて、理論上において消費されることがないことから、必要なエネルギー（印加電圧）の消費を十分に抑制することが可能である。また電子引出電極は、拘束力の低減された電子に電圧を印加することで、電子放出ポートの電子を電気絶縁場に引き出して放出させる役割を果たすものである。しかし、既に電子引寄電極によって電子が拘束力の弱い外側の軌道にシフトされているので、印加電圧を低く設定しても、効率よく電子の引き出しを行うことができる。そして印加電圧を低く設定できるので、電子引出電極に漏洩電流が生じるのを十分に防止して、漏洩電力損を最小に抑えることができる。

電子引出電極は電子放出ポートと電子引寄電極の間の隙間に対して側方から電界を付与することで、電子を前記隙間空間から側方に引き出して放出させることができる。

電界放出された電子は電子受容体に受け取られ、集められる。即ち、発電がなされた状態となる。

[0009] 以上より請求項 1に記載の発明の電界放出発電装置によれば、電子引寄電極と電子引出電極を組み合わせることで、電界放出に必要なエネルギーの消費を少なく抑制しながら、効率よく電子の電界放出をなさしめ、これを電子受容体に収集して、効率のよい発電を行うことが可能となる。

また請求項 1に記載の発明の電界放出発電装置によれば、熱エネルギーを付加し

、この熱エネルギーによって熱電子を放出させて発電に供する従来の方式、即ち熱エネルギーを電気エネルギーに変換させる方式の従来の発電に比較して、十分に省エネルギーでの発電が可能である。

し力も請求項 1に記載の発明の電界放出発電装置によれば、太陽光などの自然ェネルギーを用いた場合の不安定な発電ではなぐ運転制御が容易で且つ安定した電力の取得が可能な発電を行うことができる。

[0010] また請求項 2に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項 1に記載の構成による作用効果に加えて、電子放出ポートを電子放出に要するエネルギー障壁の小さい材料及び/若しくは形状とすることで、電子放出ポートからの電界放出を容易にすること力 Sできる。

固体中の電子は原子中の電子と同様に束縛されており、通常の状態では固体中から電子が分離されることはない。電界などにより固体中から電子を真空中に放出させるために必要な最少のエネルギーを仕事関数 E (work function)と呼ぶ。この仕

W

事関数 E 、前記固体が有する電子放出に対するエネルギー障壁である。

W

エネルギー障壁の小さい材料、即ち仕事関数 E の小さい材料としては、例えば原

W

子の例としてセシウム（E = 1 · 81ev)、カルシウム（E = 3. 2ev)、トリウム（E = 3.

W W W

4ev)、モリブデン（E =4. 3ev)、タングステン（E =4. 52ev)がある。更に仕事関

w w

数 E の小さい化合物の例としては、酸化バリウム（E = 1. 6ev)、酸化カルシウム（E w w

= 1. 61ev)、酸ィ匕トリクム（E = 1. 66ev)力 feる。

w w

またエネルギー障壁の小さい形状、即ち仕事関数 E の小さい形状 (結晶構造を含

w

む）としては、例えば後述するカーボン 'ナノチューブ、カーボン 'ウォーノレ、カーボン 'ナノホーン、ダイヤモンド、 BNナノチューブ（ゥイス力）がある。

なお電子放出ポートの表面層が量子トンネル現象の期待される積層構造になされたものも、エネルギー障壁の小さい物質及び/若しくは形状に含むものとする。

[0011] また請求項 3に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項 1に記載の構成による作用効果に加えて、電子放出ポートは準 1次元物質により、その準 1次元物質の長手方向が電子放出方向になるように立設して構成される。

準 1次元物質とは、電子の放出に関して 1次元物質としての作用と実質的に同様の作用をなす物質を意味する。この準 1次元物質としては、例えばカーボン 'ナノチューブを用いることができる力十分に細く（ナノオーダ乃至ミクロンオーダ)微細加工された導電物質を用レ、ることが可能である。

準 1次元物質の場合には、電子は 1次元方向にのみ移動し、その先端から電界放出される。準 1次元物質の長手方向を電子放出方向と一致させることで、電子の電界放出が容易となる。

準 1次元物質は多数本を電子放出ポートの表面に立設して構成することができる。多数本を立設構成することで、その各々から電子の電界放出がなされ、全体として多数の電子を効率よく電界放出させることができる。

[0012] また請求項 4に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項 3に記載の構成による作用効果に加えて、準 1次元物質がカーボン 'ナノチューブであることにより、電子の（自由）移動性を十分に良好にすることができる。またカーボン 'ナノチューブをその長手方向を電子放出方向に一致するようにして電子放出ポートに立設することで、効率のよい電子放出を可能とすることができる。

[0013] また請求項 5に記載の電界放出発電装置によれば、電子放出ポートは、グラフアイトからなり、その層面が電子放出ポートの表面となるように構成されているので、電子引寄電極による正電圧が印加されることで、グラフアイトの層内の炭素の 6員環を構成する 2重結合に寄与する電子を容易に自由電子とし且つその自由電子の運動ェネルギーを増して、電子の軌道をより原子核から離れた外側の軌道にシフトさせることができる。即ち、グラフアイトの層面である電子放出ポートの表面に、グラフアイトの六員環に起因する多数の電子を拘束力の十分に小さい状態で容易に存在させることができる。よって電子引出電極による正電圧の印加により、電子放出ポートから容易に且つ大量に電子を電気絶縁場に引き出して放出させることができる。そしてその際に必要な電子引寄電極及び電子引出電極に加える印加電圧を低く設定することができるので、漏洩電力も少なくなり、発電効率が向上する。

[0014] また請求項 6に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項 1に記載の構成による作用効果に加えて、電子引寄電極は、電子放出ポートと対向する表面に準 1次元物質をその長手方向が電子放出方向となるように立設することで、電子引寄電極側の正電荷を準 1次元物質の先端に集中させることができ、準 1次元物質の先端と電子放出ポートとの間での電界の強さを実質的に強くすることが可能となる。これによつて電子放出ポートの電子を、電子引寄電極に、より低い正電圧で、より効果的に拘束力の低減された領域に引き寄せることができる。更に電子引寄電極と電子放出ポートとの両方に多数の準 1次元物質を対向させて配置するならば、それら多数の対向する準 1次元物質の間において効率よく電子の引き寄せを行うことができる。

[0015] また請求項 7に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項 1に記載の構成による作用効果に加えて、電子引出電極の材料を準 2次元物質とし、電子放出ポート力放出された電子が量子トンネル現象によって前記電子引出電極を貫通して背後の電子受容体に受け取られるようにして構成するので、電子放出ポートから放出された電子は、電子引出電極に達しても、該電子引出電極において原子核等に拘束される（電子が吸収される）ことなぐ背後に貫通して、電子受容体に受け取られることができる。従って電子受容体を電子引出電極の背後に配置することで、それ以上の特別な手段を別に施すことな電界放出された電子を確実に電子受容体で受け取ることができる。電子受容体には正電圧をカ卩える必要がないので、受け取られた電子が正電荷に拘束されて利用できなくなることを抑制することができ、発電効率を上げること力 Sできる。

前記準 2次元物質とは、電子の貫通に関して 2次元物質としての作用と実質的に同様の作用をなす物質を意味し、より具体的には厚みが非常に薄い構造であり、電子が量子力学的なトンネル現象を行うことが可能な材料を意味する。量子トンネル現象の効果を上げるには、飛翔する電子の速度（運動エネルギー）を増大すること、及び準 2次元物質の厚みを薄くして電子を拘束する確率を低下させる必要がある。

[0016] また請求項 8に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項 1に記載の構成による作用効果に加えて、電子放出ポートから放出されて電子引出電極に向かう電子の軌道を変更する電子軌道変更手段を設けているので、電子放出ポートから放出された電子は、電子引出電極に達することなぐその途中で飛翔軌道を変更され、電子受容体に受け取られることができる。この装置の場合は電子軌道変更手段が別に必要となるが、電子引出電極を準 2次元物質で構成する等の特別な材料にする必要力くなるメリットがある。また電子軌道変更手段についても、正電圧や負電圧を印加できるものであれば、特別な材料で構成する必要がないというメリットがある。

[0017] また請求項 9に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項 1に記載の構成による作用効果に加えて、電子受容体に到達した電子が 2次放出するのを防止するための 2次放出防止手段を設けているので、電界放出されて電子受容体に飛来した電子を確実に拘束して受け取ることができる。よって発電効率を上げることができる。

[0018] また請求項 10に記載の電界放出発電装置によれば、上記請求項 1に記載の構成による作用効果に加えて、電子受容体と電子供給体とを電気接続し、途中に電気的負荷を配する構成としているので、電子受容体で受け取った電子を電気的負荷に供給して仕事を行わせることができる。電気的負荷を経た電子は電子供給体に戻る。即ち、電子の循環を行うことができる。

図面の簡単な説明 [0019] [図 1]本発明の第 1の実施形態に係る電界放出発電装置の要部を示す斜視図である園 2]本発明の第 1の実施形態に係る電界放出発電装置の概略断面構成図である。

[図 3]本発明の第 1の実施形態に係る電界放出発電装置の変形例の要部を示す概略断面構成図である。

[図 4]本発明の第 2の実施形態に係る電界放出発電装置の要部を示す概略断面構成図である。

[図 5]本発明の第 3の実施形態に係る電界放出発電装置の要部を示す斜視図である園 6]電子引寄電極の電圧 Vと電流 Iとの関係を説明する図である。

園 7]本発明の第 4の実施形態に係る電界放出発電装置の概略断面構成図である。符号の説明

[0020] 10 真空容器

20 電子供給体

30 電子放出ポート

31 準 1次元物質

40 電子引寄電極

41 電子引寄電源

42 準 1次元物質

50 電子引出電極

51 電子引出電源

60 電子受容体

70 電力取出回路

71 電気的負荷

80 電気絶縁体

90 電子軌道変更手段

91 軌道変更電極

92 軌道変更電極 100 2次放出防止手段

101 絶縁周壁

101 ゲート壁

F 電気絶縁場

e 電子

発明を実施するための最良の形態

[0021] 図 1、図 2を参照して、本発明の第 1の実施形態に係る電界放出発電装置を説明する。

真空容器 10内に電子供給体 20、電子放出ポート 30、電子引寄電極 40、電子引出電極 50、電子受容体 60が設けられている。

また真空容器 10の外に、電子引寄電源 41、電子引出電源 51、電力取出回路 70 が設けられている。

[0022] 前記真空容器 10は、その内部を真空乃至十分に減圧された状態にする容器で、材料の種類は特に限定されるものではなレ、。真空容器 10の内部は電気絶縁場 Fとなっている。

前記電子供給体 20は、電子を供給する源となる物質で構成され、金属材料、その他の自由電子を豊富に保有する材料で構成される。

前記電子放出ポート 30は、電子をそこから電界放出する機能を果たすもので、前記電子供給体 20と電気的に導通状態に設けられる。

電子放出ポート 30は、電子の電界放出に要するエネルギー障壁の小さい材料で構成することが好ましい。更に電界を集中させ、局所的に強電界とするために、先端部が細い形状で構成することが好ましい。

前記電子引寄電極 40は、前記電子放出ポート 30に対して電界を付加し、電子放出ポート 30に拘束されている電子 eのエネルギーレベルを引き上げて、その軌道をより拘束力の弱い外側の軌道にシフトさせるための電極である。この電子引寄電極 40 は電気絶縁場 Fを介して、電子放出ポート 30と対向配置されてレ、る。

電子引出電極 50は、前記電子引寄電極 40によって原子核からの拘束力が低下された電子 eに対して電界を付加することで、該電子 eを電子放出ポート 30側からの拘束から脱して電気絶縁場 Fに引き出す、即ち電界放出させるための電極である。本実施形態の場合、電子引出電極 50を準 2次元物質で構成しており、電子引出電極 5 0に飛翔してきた電子 eが、量子トンネル現象によって電子引出電極 50を貫通し、電子引出電極 50には吸収されなレ、ようにしてレ、る。

[0023] 前記電子受容体 60は、電界放出された電子を受け取るためのもので、本実施形態の場合は、前記電子引出電極 50の後方に電気絶縁場 Fを介して配置されている。この電子受容体 60は金属材料等の自由電子の保有能力が大きい材料で構成することができる。

前記電子引寄電源 41は、前記電子引寄電極 40に正電圧を加える機能を果たすもので、本実施形態では前記電子供給体 20には負電位が加わり、前記電子引寄電極 40には正電位が加わるように接続している。

同様に電子引出電源 51においては、前記電子引出電極 50に正電圧を加える機能を果たすもので、本実施形態では前記電子供給体 20には負電位が加わり、前記電子引出電極 50には正電位が加わるように接続している。

前記電力取出回路 70は、前記電子受容体 60に集められた電子 eを外部に取り出すための回路である。前記電子受容体 60と前記電子供給体 20との間で電気接続されており、その途中に電気的負荷 71が配された構成になされている。

前記電気絶縁場 Fは、本実施形態では真空若しくは十分な減圧された空間からなる絶縁空間で構成してレ、る。

[0024] 物質中において、原子核には正電荷を持つ陽子が存在する。原子核の周辺には負電荷を持つ電子 eが軌道上を飛翔してレ、る。この物質に熱エネルギー等のェネルギ一が供給されると、電子 eの運動エネルギーが増加し、電子 eは元の電子軌道よりもより原子核から離れた軌道に移動する。電子 eの飛翔する軌道が原子核から離れて外側に移動すると、電子 eが原子核に引かれる力が弱くなる。その場合に外部の近傍に正電荷を持つ物質が存在すると、電子 eが外界に放出される確率は増加する。物質の温度が上昇することにより電子 eが原子から放出される現象は熱電子放出と呼ばれ、真空管等に応用されている。ところ力外部に配置される物質が持つ正電荷の量が多くない場合には、電子の飛翔軌道が熱エネルギーにより少し外部に変更されても、熱電子放出された電子が原子に抜け穴となった正電荷を残すので、正電荷が電子を引き付けることにより、再び電子が元の軌道に復帰する場合が多い。

原子核の周りに飛翔している電子 eに対して、その周辺に電極を配置し、該電極に正電荷を蓄積させることで、原子核の周りを飛翔している電子 eの電子軌道を外側に移動させることができる。この場合には、前記電極は電子を原子核の外部に完全に放出させるほどの正電荷を保有する必要はなぐ電子の飛翔軌道を通常よりも外側に引き寄せる電荷を有すればょレ、。

前記軌道をより外側にシフトされた電子 eに対して、別の電極に蓄積した正電荷を作用させると、これによつて電子 eが加速され、原子核による弱くなつた拘束力を脱して、原子の外に引き出される。即ち電界放出される。この場合には前記電極は既に原子核による拘束力の弱まった電子 eを原子の外へ引き出すのであるから、必要とされる正電荷はそれほど多く保有させる必要はない。

前記原子核の周囲を飛翔する電子 eの軌道を外側にシフトさせて原子核による拘束力を弱くする機能を果たす電極を電子引寄電極とし、軌道が原子核の外方へシフトされてその拘束力を弱められた電子に作用して原子の外へ引き出す機能を果たす電極を電子引出電極とする。上記第 1の実施形態では電子引寄電極 40と電子引出電極 50とが該当する。

図 1、図 2を再び参照して、前記電子引寄電極 40は電子放出ポート 30に接近して配置されるが、電子放出ポート 30を構成する物質の原子の原子核に拘束されてレ、る電子の軌道を外側にシフトさせるだけであるので、電子引寄電極 40に加えられる電圧を高く設定する必要がなぐ従って電子引寄電極 40やその電源 41等から漏洩する電荷を低く抑制して、その漏洩電力損を低くすることが可能となる。

また前記電子引出電極 50は、既に拘束力が弱められた電子 eに作用させるものであるから、その印加電圧を低く設定しても、電子放出ポート 30に拘束されている電子を外部に引き出す (放出させる)ことが可能となる。従ってこの場合も、電子引出電極 50やその電源 51から漏洩する電荷を低く抑制して、漏洩電力損を低くすることができる。

この電子引出電極 50は、通常において、前記対向して配置される電子放出ポート 30と電子引寄電極 40との隙間空間に対して側方に配置され、電子引寄電極 40による電界に対して直角方向から電界を作用させるような構成となっている。

[0026] 上記第 1の実施形態に係る電界放出発電装置では、真空容器 10中に配置した電子供給体 20の電子放出ポート 30に存在する電子 eが、電子引寄電極 40の正電荷によって、その拘束力を低減され、更に電子引出電極 50による正電荷によって運動エネルギーを増加され、結果として電子放出ポート 30側の拘束力を脱して電気絶縁場 Fに電界放出される。

電気絶縁場 Fに電界放出された電子 eは、電子引出電極 50の方向に速度を増しながら飛翔し、厚さが非常に薄い準 2次元物質からなる電子引出電極 50を、量子トンネル現象によって貫通する。即ち、電界放出された電子 eは電子引出電極 50によって吸収されることなぐ電子受容体 60に達し、衝突、吸収される。

電子 eが準 2次元物質からなる電子引出電極 50に接近する場合、電子 eは運動ェネルギーをもっているので、非常に薄い物質中をトンネル現象により突き抜ける。即ち、準 2次元物質の中の原子核に電子 eが接近しても、飛翔電子 eは速度を持っているので、原子核に捕獲される確率は低ぐ大部分の電子は突き抜ける可能性が高いので、トンネル現象により電子 eが準 2次元物質に殆ど吸収されずに飛翔を続行する確率が高い。

電子引出電極 50の準 2次元物質は、カーボン 'ナノチューブを並べて配置することにより構成することができる。

[0027] 電子 eが吸収された電子受容体 60と前記電子供給体 20との間には、電力取出回路 70が接続されており、電子 eを吸収した電子受容体 60から電子供給体 20に電子 e 力 Sフィードバックされる。その際、電子 eが電気的負荷 71の中を移動することにより、電流が流れる。即ち、発電された電気が電気エネルギーとして電気的負荷 71に供給され、電気エネルギーとして利用される。

[0028] 図 3に示す変形例では、電子引寄電極 40の表面に電気絶縁体 80を設けてある。これによって、電子放出ポート 30の電子 eが電子引寄電極 40の正電荷によるクーロン力の作用によって電子引寄電極 40の方へ引き寄せられた際に、例え電子 eが電子放出ポート 30側の拘束力を脱して真空空間に放出されることが多少の確率で生じた場合であっても、その放出されてしまった電子 eが電子引寄電極 40に到達するを前記絶縁体 80によって阻止することができる。これによつて放出電子 eが電子引寄電極 40に到達してしまうことよって生じる電子引寄電極 40側での漏洩電力損を防止すること力 Sできる。また放出された電子を確実に電子受容体 60の方に導いて、ロスのない、効率のよい発電を行うことができる。

なお、電子引寄電極 40には電子引寄電源 41によって正電荷（正電圧）が加えられるが、電子放出ポート 30側からの電子 eが電子引寄電極 40に到達し (電流が流れ）ない限り、理論的には電力消費は生じなレ、。

[0029] 図 4を参照して、本発明の第 2の実施形態に係る電界放出発電装置を説明する。

この電界放出発電装置においては、電子放出ポート 30の表面のうち、前記電子引寄電極 40に対向する表面を準 1次元物質 31により構成している。電子供給体 20の表面に多数の準 1次元物質 31をその長手方向が電子供給体 20の表面に垂直になるようにして（電子放出方向となるようにして）立設している。準 1次元物質 31を立設することで、電子放出ポート 30側の負電荷を各準 1次元物質 31の先端に集中させることができる結果、電子引寄電極 40との間に生じる実質的な電界を強くすることができる。これによつて、より効率的に電子放出ポート 30の電子 eを電子引寄電極 40側に引き寄せることができる。言い換えれば、電子引寄電極 40と電子放出ポート 30との間に大きな電位差を与えなくとも、電子 eの引き寄せが可能となる。

同様に本実施形態では、電子引寄電極 40の表面についても、前記電子放出ポート 30に対向する面を準 1次元物質 42により構成するようにしている。電子引寄電極 4 0の表面に多数の準 1次元物質 42をその長手方向が電子引寄電極 40の表面に垂直になるようにして立設している。準 1次元物質 42を立設することで、電子引寄電極 4 0側の正電荷を各準 1次元物質 42の先端に集中させることができる結果、電子放出ポート 30との間に生じる実質的な電界を強くすることができる。これによつて、より効率的に電界を電子放出ポート 30側に作用させることができ、電子放出ポート 30側の電子 eを電子引寄電極 40側に効率よく § Iき寄せて、拘束力を低減させることができる

[0030] 電子引寄電極 40側と電子放出ポート 30側の両方に対向させて準 1次元物質 42、 31を立設させることで、両準 1次元物質 42、 31の先端間での正電荷と負電荷の集中が十分になされ、小さな電圧の付カ卩によって十分高い電界を作用させることが可能となり、電子放出ポート 30の電子 eを効率よく電子引寄電極 40側に引き寄せる（電子放出ポート 30による拘束力を弱めた状態にする）ことができる。

準 1次元物質 31、 42としてはカーボン 'ナノチューブを用いることができる。カーボン 'ナノチューブは炭素の 6員環などが結合して構成される物質である。カーボン'ナノチューブの先端は、電子放出に対する拘束力が低く放出されやすい状態にめる。

カーボン ·ナノチューブは前記電子放出ポート 30や電子引寄電極 40の表面に、鉄、コバルト、ニッケノレ等の触媒物質を積層し、雰囲気を 650°C付近に設定して、気体としてメタン、アセチレン等の炭素系ガスを適切に供給して、表面に結晶を成長させることで、多数を立設することができる。

[0031] 図 5を参照して、本発明の第 3の実施形態に係る電界放出発電装置を説明する。

本実施形態では、電子放出ポート 30として、平面上の層内に炭素の 6員環構造を形成したグラフアイト 32を用いている。グラフアイト 32は、その層面が電子放出ポート 30の電子引寄電極 40に対向する表面となるように配置してレ、る。他の構成は図 1、図 2において説明した第 1の実施形態と同様である。

[0032] 炭素原子は 1個が他の 4個と結合することで安定状態となる。 6員環の結合によってなるグラフアイトでは、前記 6員環を構成する炭素原子は 1個が他の 3個の炭素原子と結合しており、このため 3個の結合のうち 1個は 2重結合となっている。この 2重結合に寄与する電子は自由電子となる確率が高レ、。このためグラフアイト中にはキャリアである電子とホールが存在し、 1cm³当たり 10の 19乗個のキャリア電子及び同数のキヤリァ-ホールが存在する。キャリアとなった電子はグラフアイトの層内に沿って殆ど 2次元状に電導電子として移動し、異なる層への移動は極めて少ない。従って層に垂直に電界を加えると、 2重結合に寄与する電子がキャリアになる確率が増加する。

[0033] 図 6を参照して、電子引寄電極 40とグラフアイト 32からなる電子放出ポート 30との関係だけに着目して（電子引出電極 50のことは考慮しなレ、）、電子引寄電極 40に正電圧を 0ボルトから増加させてゆくと、電圧 Vtを超えると電流が流れ始める。この場合の電圧 Vtを閾値電圧と呼ぶ。本発明では、上記第 1の実施形態の場合も含めて、電子引寄電極 40の電圧を 0ボルトよりも高ぐ閾値電圧 Vはりも少し低い電圧 Vaに設定する。このような電圧 Vaに設定することで、電子引寄電源 41から流れる電流は殆どな電圧 Vaによる電界効果によって、電子放出ポート 30中の電子が電子引寄電極 40側に弓 Iき寄せられる。即ち、電子放出ポート 30による拘束力が弱められた状態となる。第 2の実施形態の場合には、グラフアイト 32 (30)中の炭素原子の 6員環中の 2重結合に寄与する電子がキャリアとなって、電子引寄電極 40に引き寄せられる。

[0034] グラフアイト 32 (電子放出ポート 30)中の電子がキャリアとなって且つ電子引寄電極 40に引き寄せられた状態（グラフアイト 32側への拘束力の弱まった状態）において、電子引出電極 50に正電荷が加えられると、その電子引出電極 50よる電界によって電子 eが電子引出電極 50の方向に加速される。これによつて電子引出電極 50の方向に運動エネルギーを付与された電子 eは、その運動エネルギーが前記グラフアイト 32による前記弱まった拘束力に打ち勝つことで、グラフアイト 32による拘束を脱して外界に放出されるのである。

グラフアイト 32 (電子放出ポート 30)の拘束を脱して真空中に放出された電子 eは、図 1、図 2に示すように、電子引出電極 50に向かって飛翔し、準 2次元物質からなる電子引出電極 50を量子トンネル現象により貫通して、電子受容体 60に到達する。電子受容体 60に電子 eが蓄積されることは、発電がなされることである。この蓄積された電子 eは、電力取出回路 70を介して電気的負荷 71に流れることにより、電気工ネルギ一として利用される。

[0035] 本発明の電界放出発電装置では、電子引寄電極 40と電子引出電極 50とを組み合わせることにより、個々の電極 40、 50における印加電圧を高圧にすることな容易に電子の電界放出を行うことが可能となる。従って各電極 40、 50で絶縁性の確保が容易となり、漏洩電力を十分に抑制して、エネルギー損失を減少できる。よって効率の良好な発電を行うことが可能となる。

[0036] 図 7を参照して、本発明の第 4の実施形態に係る電界放出発電装置を説明する。

本実施形態においては、電界放出された電子 eが電子引出電極 50に向力のを、その途中で軌道変更させる電子軌道変更手段 90を設けている。また電子受容体 60 に到達した電子 eが 2次放出されるのを防止する 2次放出防止手段 100を設けている真空容器 10内に電子供給体 20、電子放出ポート 30、電子引寄電極 40、電子引出電極 50、電子受容体 60を設け、また真空容器 10外に電子引寄電源 41、電子引出電源 51、電力取出回路 70を設ける点は、既述した第 1〜第 3の実施形態と同様である。

[0037] 前記電子軌道変更手段 90は、電界放出された電子 eが電子引出電極 50に向かうのをその途中で軌道変更させて、これによつて電子引出電極 50に衝突しないようにすると共に、電子受容体 60に到達するようにする役割を果たすものである。

図 7に示す電子軌道変更手段 90は、正負一対の軌道変更電極 91、 92を電子引出電極 50の手前に配置している。この一対の軌道変更電極 91、 92により、電子引出電極 50に向力う飛翔電子 eの軌道を電子引出電極 50の手前で電子引出電極 50 から外れた軌道に変更し、別配置された電子受容体 60に到達するように変更している。

電子軌道変更手段 90を設けることで、電子 eが電子引出電極 50に達することなく電子受容体 60に到達させることができるので、電子引出電極 50の材料として量子トンネル現象を期待できる準 2次元物質等とする必要がなくなる。よって電子引出電極 50の構成上の自由度が大きくなり、コスト低減を図ることができる。

なお電子軌道変更手段 90は、正負一対の軌道変更電極 91、 92を用いたが、正負何れかの軌道変更電極を単独で用いるようにしてもょレ、。また電子の飛翔する軌道を、その途中で電子引出電極 50の方向から電子受容体 60の方向に修正、変更できるものであれば、電極に限定されるものではない。

[0038] 前記 2次放出防止手段 100は、電子受容体 60に一旦到達した電子 eが該電子受容体 60から放出されてしまうことで、結果として電子受容体 60には到達しないのと同様な状態になるのを防止する役割を果たすものである。即ち、電子受容体 60に一旦到達した電子 eが、 2次放出して離散するのを防止する役割を果たすものである。図 7に示す 2次放出防止手段 100は、電子受容体 60の前面、即ち飛翔してくる電子 eを受け取る面の周囲を囲むように絶縁部材からなる絶縁周壁 101を設け、更に絶縁周壁 101の周辺にゲート壁 102を配置する。このゲート壁 102は、電子受容体 60 に向かって飛翔してくる電子 eの電子軌道付近に開口して、その電子 eを受け入れるようにすると共に、それ以外の周囲を閉止するように、前記電子軌道以外の部分を閉止している。このゲート壁 102には多少の負電圧を加えるようにする。これによつて、ー且電子受容体 60に到達した電子が更に電子受容体 60から飛び出した場合でも、飛散してしまうことなぐゲート壁 102の負電位により電子受容体 60に速やかに戻すこと力 Sできる。

本実施形態では、 2次放出防止手段 100は絶縁周壁 101とゲート壁 102とで構成したが、このような構成に限らず、電子受容体 60からの 2次放出を防止することができる他の全ての構成を含むものである。

産業上の利用可能性

電子の電界放出を利用した本発明の電界放出発電装置は、従来の火力発電、水力発電、原子力発電、太陽光等の自然エネルギーを用いた発電に代わり、或いは新たに加わるべき発電手段として、投入エネルギーが少なぐクリーンで、安定した電気エネルギーを低コストで供給することが可能であり、産業上の利用可能性が非常に大きいものである。

Claims

請求の範囲

[1] 自由電子を保有する材料からなる電子供給体と、該電子供給体に対して電気導通状態に設けられた電子放出ポートと、該電子放出ポートに電気絶縁場を介して対向配置されると共に電界を付加することで前記電子放出ポート側に拘束されている電子のエネルギーレベルを引き上げてその軌道をより拘束力の弱い外側の軌道にシフトさせるための電子引寄電極と、該電子引寄電極とは別に配置されると共に電子引寄電極によって拘束力が低下された電子に対して電界を付加することで、前記電子放出ポート側に拘束されている電子を前記電気絶縁場に引き出して放出させる電子引出電極と、該電子引出電極によって放出された電子を受け取るための電子受容体とを備え、前記電子引寄電極と電子引出電極に正電圧を加えることで前記電子放出ポートから電子を電界放出させると共に、この電界放出した電子を前記電子受容体で受け取らせて集める構成としていることを特徴とする電界放出発電装置。

[2] 請求項 1において、電子放出ポートは、電子放出に対するエネルギー障壁の小さい材料及び/若しくは形状で構成されていることを特徴とする電界放出発電装置。

[3] 請求項 1において、電子放出ポートは、電子供給体の表面に準 1次元物質をその長手方向が電子放出方向となるように立設して構成されていることを特徴とする電界放出発電装置。

[4] 請求項 3において、準 1次元物質がカーボン 'ナノチューブであることを特徴とする電界放出発電装置。

[5] 請求項 1において、電子放出ポートは、グラフアイトからなり、その層面が電子放出ポートの表面となるように構成されていることを特徴とする電界放出発電装置。

[6] 請求項 1において、電子引寄電極は、電子放出ポートと対向する表面に準 1次元物質をその長手方向が電子放出方向となるように立設して構成されていることを特徴とする電界放出発電装置。

[7] 請求項 1において、電子引出電極の材料を準 2次元物質とし、電子放出ポートから放出された電子が量子トンネル現象によって前記電子引出電極を貫通して背後の電子受容体に受け取られるようにして構成されていることを特徴とする電界放出発電装置。

[8] 請求項 1において、電子放出ポートから放出されて電子引出電極に向かう電子の軌道を変更する電子軌道変更手段を設けていることを特徴とする電界放出発電装置

[9] 請求項 1において、電子受容体に到達した電子が 2次放出するのを防止するための 2次放出防止手段を設けていることを特徴とする電界放出発電装置。

[10] 請求項 1において、電子受容体と電気的負荷を電気的に接続し、電子供給体と前記の電気的負荷を電気的に接続することを特徴とする電界放出発電装置。